基于信道仿真器全面測(cè)試LTE系統(tǒng)

短短幾年間，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)就已從開(kāi)始時(shí)的緩慢不堪以致沒(méi)法實(shí)用，發(fā)展到現(xiàn)今如像Wi–Fi一樣好用。隨著消費(fèi)者和商業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)者急于找到能利用改進(jìn)的移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)所需的方法，技術(shù)專家也在努力提供更新、更快、更強(qiáng)大的寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以支持這種需求。

隨著用戶、手機(jī)制造商、應(yīng)用開(kāi)發(fā)商和服務(wù)提供商都把注意力專注于將拉動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)的下一個(gè)大應(yīng)用，目前的手機(jī)行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)已從“最少掉線”轉(zhuǎn)移到“最快網(wǎng)絡(luò)”上。這種需求的增長(zhǎng)主要來(lái)自數(shù)據(jù)傳輸。

現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量受到限制，因此為維持這種增長(zhǎng)，就需要網(wǎng)絡(luò)具有如下特性：平順、全I(xiàn)P(因特網(wǎng)協(xié)議)架構(gòu)、更大的容量、每比特更低的成本、更快的連接、更短的延遲、提高的視頻能力。隨著數(shù)據(jù)服務(wù)持續(xù)爆炸性增長(zhǎng)，制造商和服務(wù)供應(yīng)商將如何才能確保新設(shè)備和新應(yīng)用能提供用戶期望的質(zhì)量、吞吐量和性能呢？

幾家領(lǐng)先的行業(yè)組織正在制定旨在推動(dòng)4G寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、使這些日益復(fù)雜的設(shè)備能正常工作、使這些要求很高的應(yīng)用得以實(shí)施的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括稱為長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)和802.16e-2005或移動(dòng)WiMAX。LTE和移動(dòng)WiMAX有一個(gè)主要的共同特性，它們都采用正交頻分多址(OFDMA)和多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)。本質(zhì)上，OFDMA和MIMO能以更小帶寬提供更高水平的數(shù)據(jù)傳輸能力。

對(duì)空中接口(在發(fā)射器和接收器之間射頻信號(hào)的物理路徑)的影響而言，OFDMA和MIMO系統(tǒng)可提升射頻發(fā)射器和接收器的整體性能。無(wú)線電信道會(huì)受到多方面的影響，比如信號(hào)延遲、衰減和障礙物等。這些因素既可能結(jié)合起來(lái)改善信號(hào)傳輸條件、也可能損壞所傳輸?shù)男盘?hào)，即它們可對(duì)整體信道吞吐量/數(shù)據(jù)速率產(chǎn)生正反兩方面影響。

OFDMA是一種魯棒的數(shù)字調(diào)制機(jī)制，能提高整體頻譜效率。為減少多徑干擾，它采用更少的每載波符號(hào)率，但它也使用多個(gè)載波來(lái)增加數(shù)據(jù)速率。OFDMA是在若干載波上同時(shí)傳輸多個(gè)符號(hào)，而不是在一個(gè)時(shí)間內(nèi)傳送一個(gè)符號(hào)。副載波分布于多個(gè)頻率，且是“正交”的，從而避免相鄰副載波造成的任何干擾。

MIMO系統(tǒng)利用多個(gè)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)路徑以顯著增加吞吐量、擴(kuò)大鏈接覆蓋范圍而無(wú)需額外帶寬或增加發(fā)射功率。可以采用幾種不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)MIMO，包括空間復(fù)用、自適應(yīng)天線系統(tǒng)(AAS)、空時(shí)編碼(STC)和最大比合并(MRC)。

空間復(fù)用一般通過(guò)增加系統(tǒng)的容量來(lái)改善性能。AAS通過(guò)把信號(hào)功率指向用戶或使干擾源的影響為零來(lái)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。STC(分集發(fā)射)和MRC(分集接收)分別發(fā)送和接收相同用戶數(shù)據(jù)的多個(gè)副本，以避免衰減等損害。

傳統(tǒng)測(cè)試方法及限制

隨著復(fù)雜和專門的新硬件和新軟件的推出，測(cè)試的挑戰(zhàn)在增加。測(cè)試工具是已發(fā)生根本改變的一個(gè)領(lǐng)域，特別是用于驗(yàn)證新一代射頻發(fā)射和接收器測(cè)試的工具發(fā)生了翻天覆地的變化。有三種方法可用以測(cè)試發(fā)射器和接收器的性能：直接電纜連接、空中測(cè)試、借助信道仿真器的連接，如圖1所示。

圖1：用以測(cè)試發(fā)射器和接收器的性能的三種方法。

射頻測(cè)試傳統(tǒng)上一直是先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，然后再進(jìn)行空間定點(diǎn)測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。通常，測(cè)試射頻電路的第一步是用射頻電纜和連接器將射頻發(fā)射器與接收器直接連接起來(lái)。雖然這種測(cè)試配置形態(tài)允許以一種受控和可重復(fù)的方法測(cè)試發(fā)射器和接收器的性能，但它是一種理想化、非真實(shí)的場(chǎng)景。

以電纜為基礎(chǔ)的測(cè)試無(wú)法滿足模擬當(dāng)信號(hào)在空間傳輸以及無(wú)線設(shè)備在運(yùn)動(dòng)中所處的真實(shí)世界動(dòng)態(tài)條件下所需的更復(fù)雜的測(cè)試要求。由于MIMO技術(shù)依賴真實(shí)世界行為以提高操作性能，所以在一些測(cè)試情況下，實(shí)驗(yàn)室/以電纜為基礎(chǔ)的測(cè)試是無(wú)效，在許多其它測(cè)試中也是不適當(dāng)?shù)摹?/p>

空中(OTA)測(cè)試是指對(duì)將射頻信號(hào)通過(guò)空間傳播到一個(gè)物理上的遠(yuǎn)程接收器這一過(guò)程進(jìn)行的測(cè)試，它能提供一定程度的性能測(cè)量，但無(wú)法提供一致的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。OTA試驗(yàn)一般是在大房間或野外進(jìn)行，其條件并不完全可控或可重復(fù)，從而導(dǎo)致不同的測(cè)試有不同的結(jié)果。力圖在多種噪聲和不同干擾的現(xiàn)場(chǎng)條件下搭建數(shù)百個(gè)復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境的努力是一項(xiàng)既耗時(shí)又費(fèi)錢的工作。
先進(jìn)的4G測(cè)試：信道仿真

LTE和移動(dòng)WiMAX技術(shù)的推出，尤其是其OFDMA和MIMO特征，需要先進(jìn)的測(cè)試能力和工具以確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足或超過(guò)3GPP/802.16e的性能預(yù)期。基于MIMO 和OFDMA的4G技術(shù)的復(fù)雜物理層和開(kāi)放接入要求，也對(duì)無(wú)線性能/接口質(zhì)量提出了更高要求，從而使4G測(cè)試比以往更復(fù)雜。

為彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室和OTA測(cè)試之間的差異，通常采用信道仿真器以精確地表征在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下、基于MIMO和OFDMA的系統(tǒng)的多信道射頻交互對(duì)一致性、性能和互操作性方面的影響。

利用復(fù)雜信道模型和多個(gè)可編程參數(shù)，信道仿真器以可控和可重復(fù)的方式復(fù)制再現(xiàn)了真實(shí)世界的信道傳播條件，從而支持廠商和服務(wù)提供商能在真實(shí)世界條件下測(cè)試設(shè)備，進(jìn)而把在“真實(shí)”世界中進(jìn)行測(cè)試所花的時(shí)間和費(fèi)用降至最低。

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)真實(shí)世界的信道條件，基站和移動(dòng)設(shè)備的信道仿真測(cè)試過(guò)程可得以大大簡(jiǎn)化、效率可得以顯著提升。信道仿真是有效測(cè)試LTE、移動(dòng)WiMAX或任何基于MIMO系統(tǒng)的關(guān)鍵。從最初的研究和設(shè)計(jì)、到系統(tǒng)集成、質(zhì)量保證甚至認(rèn)證和競(jìng)爭(zhēng)性基準(zhǔn)測(cè)試等環(huán)節(jié)，都需要信道仿真。使用信道仿真器，射頻設(shè)計(jì)和性能可被驗(yàn)證、測(cè)試覆蓋范圍可被擴(kuò)充、測(cè)試次數(shù)可被減少、還可在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)將更高質(zhì)量的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

合適的信道仿真器

為滿足最新和新興的移動(dòng)無(wú)線技術(shù)的測(cè)試需求，評(píng)估為這些工作所選的信道仿真器是否滿足對(duì)一致性、功能、性能和互操作性等測(cè)試的多樣化需求就是至關(guān)重要的。如上所述，最新的無(wú)線寬帶技術(shù)采用了OFDMA，它在最高可達(dá)64態(tài)正交調(diào)幅(64QAM)的高階調(diào)制上進(jìn)行傳輸，此外還采用了利用多天線的MIMO技術(shù)。

因此，信道仿真器需要具有射頻保真和可擴(kuò)展能力以處理和測(cè)試這些功能。下面所列的若干項(xiàng)，是工程師在為測(cè)試設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)選擇信道仿真器時(shí)應(yīng)著力考察的一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和能力。圖2展示了采用信道仿真器進(jìn)行測(cè)試的例子。借助全雙向MIMO信道，eNodeB可以連接到多臺(tái)用戶設(shè)備(UE)。該信道仿真環(huán)境可為每個(gè)用戶都提供一個(gè)不同路徑，且同時(shí)提供了在下行和上行都帶衰減的現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景。下面給出了該信道仿真環(huán)境具有的特性。

圖2：采用信道仿真器進(jìn)行測(cè)試的例子。

可擴(kuò)展性/多信道：最多4×4結(jié)構(gòu)以支持空間復(fù)用、空時(shí)編碼/最大比合并及波束成形。靈活的配置：包括配置用于吞吐量和切換型測(cè)試的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、單向和雙向的能力。雙向：時(shí)分雙工(TDD)、頻分雙工(FDD)、波束成形等，都需要現(xiàn)實(shí)世界的上行和下行兩個(gè)方向。高的射頻保真能力：不會(huì)妨礙測(cè)試的足夠?qū)挼恼`差向量幅度(EVM)、本底噪聲和動(dòng)態(tài)功率范圍。信道模型：為測(cè)試各種場(chǎng)景，需要標(biāo)準(zhǔn)和用戶自定義信道模型。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信道建模：長(zhǎng)的模型重復(fù)和回放時(shí)間。控制和自動(dòng)化：基于圖形用戶界面(GUI)和腳本的仿真控制，以構(gòu)建測(cè)試自動(dòng)化。易于使用：簡(jiǎn)單的設(shè)置、配置和測(cè)試執(zhí)行以及測(cè)試結(jié)果的收集，以支持獨(dú)立或集成測(cè)試。

本文小結(jié)

諸如采用了MIMO和OFDMA技術(shù)的LTE和移動(dòng)WiMAX等復(fù)雜的寬帶無(wú)線技術(shù)加之用戶對(duì)新推出的移動(dòng)寬帶服務(wù)的高度期待，推動(dòng)了為確保網(wǎng)絡(luò)互操作性和性能進(jìn)行更深入廣泛測(cè)試的需求。采用信道仿真器利用重構(gòu)的現(xiàn)實(shí)世界信道條件來(lái)測(cè)試設(shè)備極大簡(jiǎn)化了更全面測(cè)試的實(shí)施。

通過(guò)提供一種廣泛且具成本效益的解決方案以測(cè)試射頻和MIMO算法是否工作正常，并預(yù)測(cè)在現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境下基于MIMO技術(shù)的產(chǎn)品的性能，實(shí)驗(yàn)室控制的信道仿真可以準(zhǔn)確地表征設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線交互對(duì)一致性、性能、以及互操作性的影響。只有通過(guò)這樣全面的測(cè)試，制造商才能確保新的、數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用和設(shè)備能成功在4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用。